CC BY
48
4. Кассии Г.Г., Шсршнев К.С. Разломы Среднего Приуралья // Разломы земной коры Урала ггтоды их изучения. Свердловск: УНЦ АН СССР. 1983. С. 84-88.
5. Кассии Г.Г., Филатов В.В. К проблеме геодинамического районирования территори Вгрхнекамского месторождения калийных и калнйно-магниевых солей // Изв. УГТГА. Выи. V. Серия: Геология и геофизика. 2001. С. 186-191.
6. Кудрншов А.И. Верхнекамское месторождение солей. Пермь: ГИ УрО РАН. 2001. 429 с.
7. Летников Ф.А. Синергетика геологических систем. Новосибирск: Наука, Сиб. отд., 1992
:8"с.
8. Николаевский В.Н., Рам азов Т.К. Генерация и распространение тектонических волн вдол глубинных разломов // Изв. АН СССР. Физика Земли. 1986. № 8. С. 3-13.
9. Садовский М.А. Автомодельность геодинамических процессов // Вестник АН СССР. 1986 >Й 8. С. 3-12.
10. Шейдеггер А. Основы геодинамики. М.: Недра, 1973. 384 с.
11. Ярош А.Я. Строение кристаллического фундамента востока Русской платформы и чиогсосинклинальной области Урала: Дис.... д-ра геол.-мин. наук. Свердловск, 1968. 433 с.
УДК 553.94
С.М. Крылатков, H.A. Крылаткова, О.Б. Нещсгкнн
ИССЛЕДОВАНИЕ КАРСТООПАСНЫХ УЧАСТКОВ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ С ПОМОЩЬЮ СЕЙСМОРАЗВЕДКИ
Карстовые процессы достаточно широко распространены на территории России. Важной ж&тяется задача изучения карсга в тех районах, где инженерные сооружения находятся в пределах закарстованных зон. Особую острогу проблема изучения и мониторинга карстовых явлений приобретает для участков железных дорог, как правило, расположенных в благоприятных для развития карста условиях: в долинах рек, межгорьях и т. п. Несмотря на имеющиеся технические решения по обеспечению устойчивости оснований этих сооружений, большие динамические нагрузки, вызываемые движением железнодорожных составов, приводят к значительным изменениям з г рунтах, подверженных карстовым процессам. В результате техногенного воздействия на грунтовое основание скорость и объемы карстовых процессов увеличиваются, что приводит к ухудшению >словий эксплуатации железных дорог и как следствие - к их аварийному состоянию.
К настоящему времени накоплен немалый опыт применения наземной сейсморазведки при исследовании карста [1]. Инженерно-сейсмические исследования карстовых участков могут базироваться на том, что имеющиеся различия физических параметров горных пород в областях развития карста создают благоприятные предпосылки для применения наземной сейсморазведки. Сейсморазведка может успешно использоваться при определении мощности и состава рыхлых отложений, глубины залегания УГВ, картирования верхней границы карстующейся толщи и обнаружения в ней карстовых полостей. Для решения этих задач изучаются такие характеристики волнового ноля и упругие параметры массива горных пород, как: тип и количество выделяемых сейсмических волн; форма годографов воли; скорости распространения упругих волн; аититуды сейсмических волн; спектральный состав колебаний; характеристики затухания упругих еолн.
Традиционно при исследованиях карста наиболее информативными считаются сейсмический, гравиметрический и электрический методы. Важной особенностью сейсмического метода, в отличие от других геофизических методов, является возможность регистрации в рамках одного физического наблюдения (одной многоканальной сейсмограммы) нескольких типов волн - продольных, поперечных, обменных, поверхностных. При этом можно изучать и кинематические (время, скорость), и динамические (амплитуда, частота) характеристики этих волн. Скоростные и динамические характеристики волн позволяют определить состав горных пород. Многообразие траекторий распространения различных сейсмических волн (прямые, отраженные, рефрагированные, головные, дифрагированные и т. д.) позволяет определять положение сейсмических границ в сложно построенной среде в плане и по глубине. Использование в рамках одной методики нескольких типов волн ставит инженерную сейсморазведку в особое положение. Она является комплексом различных
методов, то есть имеет возможность характеризовать изучаемую среду с разных сторон. Как всякий комплекс, сейсмический метод претендует на объективность и достоверность решения геологической задачи.
При изучении карста в инженерно-строительных целях небольшие глубины объектов исследования (до 100 м) обычно предопределяют выбор метода преломленных воли (МПВ) как основного в инженерной сейсморазведке. Малая глубинность исследований диктует необходимость использовать высокочастотную модификацию метода, что дает возможность более детального расчленения разреза по упругим свойствам. В то же время значительная степень поглощения в верхней части геологического разреза энергии упругих волн определяет использование систем наблюдения, состоящих из коротких годографов.
Сейсморазведкой МПВ могут быть изучены все названные выше характеристики волнового поля и упругие параметры массива горных пород.
При этом главная информация для решения инженерно-геологических задач сейсмическим методом получается путем определения скоростей распространения продольных (К/.) и поперечных сейсмических волн. Их значения зависят от состава, влажности и пористости горных пород. Известны некоторые закономерности поведения значений скоростей упругих волн о рыхлых и карстующихся породах.
В рыхлых породах: песке, гравии, галечнике и их смеси - скорость продольных волн У? остается примерно постоянной в широком диапазоне значений влажности и резко возрастает при полном влагонасыщении. В глинах и глинистых отложениях значения У? меняются в соответствии с колебаниями влажности. В них также отмечается резкий скачок скорости при переходе в состояние полного влагонасышения. Для всех рыхлых пород скорость поперечных волн У.ч практически не изменяется при переходе от воздушно-сухого в водонасыщенное состояние. Зная скорости Ур и можно определить состав рыхлой породы, ориентировочное значение плотности и степень влагонасышения (неполное, полное). Пс- значению Ур можно установить только степень обводненности.
В карстуюшихся породах скорости продольных волн зависят от вещественного состава, коэффициента пористости, степени заполнения пор и свойств заполнителя. Так, скорость продольных волн Ур (в км/с) при коэффициенте пористости Кп=0 составляет: в известняке - 6,5±0,5: доломите -7,25±0,25; гипсе, ангидрите - 6,3±0,5; песчанике - 5,65±0,55. Но, как правило, величина пористости изменяется. В рыхлых и выветрелых породах она превышает 30 % и достигает 45-60 %. В не вы ветрел ых сцементированных осадочных породах объем пор может составлять 30-35 %. В связи с этим скорость продольных волн изменяется з соответствии с уравнением среднего времени (Уайлли).
В скальных породах в среднем в начальной стадии водонасыщения вначале происходит быстрое увеличение скорости, которое затем переходит е. более плавное, а затем при приближении к полному водонасыщению скорость снова ре>ко возрастает.
Скорости поперечных волн, если такие волны непосредственно не регистрируются, могут быть определены по скоростям преломленных обменных волн или по скоростям поверхностных релеевских волн. Поскольку поверхностные волны всегда присутствуют на сейсмических записях, легко опознаются и обрабатываются, получение информации о скоростях поперечных волн не представляет трудности.
Коэффициенты поглощения также несут важную информацию о горных породах - об их составе, состоянии, степени водонасыщен-юсти. Коэффициент поглощения продольных волн аР зависит от характера заполнителя пор. В сухих грубодисперсных породах он в 5-10 раз выше, чем в водонасыщенных. Коэффициент поглощения поперечных волн ося в грубодисперсных породах не зависит от водонасыщения.
Значения коэффициентов поглощения для продольных волн составляют, например, в алевролитах и мергелях «|> =0,003-0,007 м'1. в трещиноватых типах пород а? =0,012-0,0350 м'1 .
Коэффициенты поглощения рассчитываются по результатам измерений амплитуд волн, регистрируемых на разных удалениях от пункта возбуждения.
Другие динамические характеристики (амплитуды волн, затухание, частота и т. д.) используются значительно реже из-за отсутствия методики количественной интерпретации. Вместе с тем известно, что эти характеристики более тонко отражают изменение состояния среды, чем кинематические. В частности, в трещиноватой среде затухание упругих волн приблизительно на два порядка выше, чем в сплошной среде. На затухание колебаний влияют такие параметры среды, как
ширина раскрытия трещин, различие в акустических жесткостях породы и заполнителя трещин, угол падения волны на трещину. Причем разные типы волн по-разному реагируют на некоторые из этих параметров трешиноватости.
Второй сейсмический метод - метод отраженных волн MOB - начал применяться в инженерной сейсморазведке сравнительно недавно: в 90-х годах XX в. с появлением цифровой сейсморегистрирующей аппаратуры, обладающей к тому же широким динамическим i частотным диапазоном. Для работы по методике MOB требуются эффективные высокочастотные источники чпругих колебаний. MOB может успешно применяться для решения структурных задач, связанных с определением пространственного положения наиболее резких сейсмических границ: кровли коренных пород, подошвы зоны выветривания и разгрузки, крупных зон тектонических нарушений и т. п. При инженерно-геологических исследованиях MOB обычно проводят в модификации метола общей глубинной точки - МОГТ. Особенно эффективно его сочетание с МПВ при использовании волн разного типа (Р и S) с последующей комплексной интерпретацией.
Интересен опыт изучения карста на территории Москвы и Московской области в районах жилой застройки с высоким уровнем электрических и механических помех (Аникин О.П., Гаврилов А.Н., Грязнова Е.М., МГСУ, 2001 г.). Здесь были опробованы и внедрены методики МОГТ в 12-24-кратном вариантах для поперечных волн при работе обычного источника типа "падающий груз". Особенностью применения МОП' на описываемых объектах является высока« плотность исследований. Шаг источников и приемников составлял 2 м при небольшой длине годографа 48 м. Глубина исследований составила 50 и. Для определения глубины расположения границ использовались данные разведочного бурения. Карстовые полости на временных разрезах достаточно эффективно обнаруживались в виде зон интерференции, нарушения корреляции сейсмических границ, резких изменений в рисунке сейсмических записей.
Накопленный к настоящему времени опыт исследования карста сейсмическим методом свидетельствует о высокой эффективности и комплексности получаемых с его помощью результатов, их хорошей согласованности с геологическими данными. Положительной чертой метода является относительно высокая помехоустойчивость к электрическим наводкам и помехам, непременным спутницам при работе на электрифицирсванных участках железных дорог. Указанные качества, несмотря на относительно высокую стоимость и трудоемкость сейсмических работ, позволяют инженерной сейсморазведке занять ключевые позиции при геофизических исследованиях карста вдоль железных дорог.
В настоящее время в России ведущей организацией, занимающейся проблемами карста на железных дорогах, является Научно-гронзводственный центр "Карст" в г. Дзержинске Нижегородской области. Более 10 лет эта организация выполняет работы по изучению, профилактике и ликвидации последствий опасных карете проявлений. Одной из сторон деятельности НПО "Карст" является изучение закарстованных участков геологическими и геофизическими методами и прогноз на этой основе карстоопасности территории. По заданию НПО "Карст" сотрудники кафедры геофизики нефти и газа УГТТА в течение ряда лет выполняют работы по оценке возможностей применения сейсмического метода разведки при изучении карстовых явлений вдоль полотна железной дороги на некоторых участках железной дороги Свердловск - Пермь (в районе г. Куш ура) и в окрестности станции Богданович. В результате этих работ создается методика оперативного обнаружения сейсморазведкой ослабленных участков в геологическом разрезе, связанных с образованием карстовых полостей.
Разработка подобной методики включает несколько этапов. В настоящее время собраны разнообразные литерату рные сведения об имеющемся в отечественной и мировой геофизике опыте по изучению кастовых явлений сейсмическим методом. По материалам ранее проведенных инженерно-геологических и инженерно-геофизических работ на участках дорог Пермь - Кунгур и Свердловск - Богданович созданы геосейсмические модели для типичных участков геологического разреза с карстовыми формами. На основе этих материалов планируются и проводятся опытные и производственные полевые сейсморазведочныс работы. На сегодняшний день нами выполнены значительные по объему (около 8 nor. км) сейсмические исследования, проведен анализ и обработка полевых сейсмограмм, разработана эффективная технология и методика обработки и интерпретации сейсмических данных, созданы алгоритмы и программы обработки сейсмических данных.
Проведено широкое опробование двух основных методов, используемых при инженерно-сейсмических работах при изучении каре га - МПВ и MOB МОП. Исследования выполнены на двух различных по строению и генезису карсгуюшихся пород территориях. Первый участок располагался
и районе железнодорожной станции Богданович Свердловской железной дороги. Здесь сильно развш карбонатный карст Второй участок - 1SI6-.524 км железнодорожного перегона Пермь - Кунгур характеризуется карсгово-суффозионнымн яьлеииами в гипс-ангидритовых отложениях, Одинаковый подход к получению н обработке сейсмических материалов на обоих участках позволил определить факторы, которые являются доминирующими при обнаружении зон разуплотнения фунтов в карстуюшейся толще, а также определить комплекс показателей карстоопаеностн На тгнх участках ранее уже проводились геологические и геофизические исследования.
Участок к востоку от железнодорожной станции Богданович характеризуется весьма интенсивным движением поездов, по нему проходят 3 магистральные ветки, имеются железнодорожные пути на городские предгриятия. Участок испытывает значительные нагрузки в результате торможения и разгона па нем тяжелых товарных составов. Провалы на железкой .пороге, связанные с карстом, впервые тэесь были обнаружены в 1975 году. В связи с этим н I97S-J977 годах на этом участке трестом "Уралгипротранс' были поведены инженерно-изыскательские работы. В конце 90-х годов изучение участка возобновилось. По результатам проведенных работ геологическое строение можно описать следующим образом |2| Верхняя часть геологического разреши сложена известняками С| и терригеннымн отложениями Си имеющими западное простирание. Рыхлые отложения, залегающие ив палеозойски» породах* представлены е основном супниками. глинами и супесями с высоким содержанием до •'•и-50 % дресвы и щебня. Кровля известняков в середине участка располагается на глубине от 2 до 4 м. западнее и восточнее она погружается до глубин 19-25 м. Известняки средне и сильна трещиноватые, в верхней части пыветрелые до песка, супеси и рухляков Мощность зоны выветривания 2-3 м. по трещинам до 20 м, Трещины круто падающие секут породу через 3-10 м Общая закарстовзнность участка около 10 %, Полости примерно в 40 % случаев заполнены глиной или суглинками с прн.месыо дресвы и щебня, в 45 % - глиной текучей и мягкопластнчной консистенции; в 15 % полости не заполнены или заполнены водОи Незаполненные полости приурочены, как правило, к уровню грунтовых вод и располагаются в верхних частях древних заполненных карстовых полостей. Размер полостей колеблется от десятков сэншмстров до 1-2.5 м
Перегон Пермь - Кунгур характеризуется существенно меньшей интенсивностью движения по сравнению с участком вблизи ст. Богданович Изу чаемый отрезок Свердловской железной дороги расположен ишютную у тылового шзя перэой надпойменной террасы р Бабки. Здесь в коренных породах иод аллювием, мощность которого составляет от 10 до 18 М. находится зона интенсивной грещниовятости и закарстоваиности. Коренные породы пермского возраста представлены мелко- и срс.аиезеряистыми песчаниками с карбонатным цементом, а тзкже гилс-аигидр!"товымн и карбонатными пачками. Ниже по разрезу с глубины 20-25 м талегают слабо трещиноватые доломиты Характерная черта карстуюшихся пород - загнпсованность Она определяет интенсивность развития карста, строение полостей, наличие зон разуплотнения, в которых карбонатная мука нлхол»гтся в текучем состоянии.
Описанное геологическое строение .'тля кажлою из участков, в Отсутствие карстовых образований удовлетворительно можс! быть представлено градиент ио-слоиаой моделью среды, в которой присутствуют две достаточно интенсивные преломляющие (и отражающие) сейсмические фаннцы: первая - граница, совпадающая с УГВ. а вторая по кровля малоизмеиенныч коренных пород. Между этими «раницами значения скорости изменяются непрерывно - величина скорости сейсмических волн постепенно нозрастает с увеличением глубины. В подобной модели среды в первых вступлениях волн присутствуют преломленно-рсфрагированные волны, а е области последующих вступлений прослеживаются отраженные волны от двух границ В области между вступлениями этих отражений должен иабгюдагьея согласный с основными отражениями рисунок сейсмических записей.
Наличие полостей, тон разуплотнения и тренинювагости можно моделировал, добавлением в описанную выше нормальную модель вертикальных » субвертикальных границ. '*ги 1раницы приведут к аномалиям в форме годографов первых вступлений, вызовут нарушение корреляции и согласной картины на временных разрезах. Кроме того, в описываемых условиях возникнут дифрагированные волны, которые заметным образом осложнят волновую картину, как на годографах первых вступлений, так и на временных разрезах, но при тщательной обработке могут быть использованы для определения положения дифракюров. Указанные аномальные волновые картины могут служить сигналом для отнесения соответствующих участков исследований к перспективным
для обнаружения карстовых полостей и ослабленных гон. Дополнительно в области ослабленных ччастков следует ожидать понижения скоростей, амплитуд и частот для всех типов волн.
Проведенный нами анализ показывает, что особенности сейсмического строения изучаемых участков создают благоприятные предпосылки к применению наземной сейсморазведки для определения мощности и состава рыхлых отложений, глубины залегания УГВ, для картирования верхней границы карстующейся толщи и обнаружения в ней карстовых полостей. В то же время геоссйсмические условия проведения работ можно классифицировать как осложненные и даже сложные [1]. Геосейсмичсские границы не выдержаны по простиранию, разрезы содержат две и более преломляющие границы, элементы залегания преломляющих границ значительно меняются по профилю, что является характерным для скрытого карста в долинах рек и на их склонах. В связи с этим нами было принято решение использовать для изучения разрезов кинематические и динамические характеристики нескольких типов сейсмических волн.
При изучении вышеназванных участков основной объем сейсмических работ выполнялся методом преломленных волн (МПВ). Метод отраженных волн был применен в небольших масштабах (около 5 % от общего объема работ). Основным видом наблюдений являлось продольное сейсмическое профилирование с получением систем встречных и нагоняющих годографов. Профили располагались в основании насыпи железнодорожных путей пираллсльно железной дороге. На каждой стоянке сейсмопрнемников записывались сейсмограммы нескольких пунктов возбуждения. При регистрации наблюдения велись по схеме Z - Z. которой отвечают вертикальное направление возбуждения колебаний и вертикальная орнентироЕка сейсмопрнемников. Расстояние между сейсмоприемниками - 1 или 2 м. Расстояние между пунктами возбуждения 10, 20, 40 м при работах МПВ и 2-4 м - при работах MOB.
Для наблюдений были использованы 12- и 48-канатьные сейсмосганции с цифровой записью сигнала (Урал-Мини, Агат, Эхо-3). Они обеспечили надежную корреляцию различных типов волн. Имеющаяся в современных сейсмостанциях возможность накопления слабых сигналов (в нашем случае было использовано накопление с»т 5 до 15 ударов) позволила повысить глубинность исследований при малой энергии источника возбуждения сейсмических колебаний. В качестве источника использовалась деревянная кувалда весом около 10 кг. с рукоятью длиной 1,5 м. Установлено, что интенсивность удара кувалдой примерно в два раза эффективнее, чем сбрасывание груза такого же веса с высоты 2 м. Таким образом, удар кувалдой эквивалентен по импульсу действию груза того же веса, сброшенного с высоты ^ м. Преобладающая частота возбуждаемых сейсмических волн практически не зависит от скорости соударения и высоты сбрасывания. Для уменьшения пластических деформаций при ударе исгользовалась плоская чугунная подставка, которая распределяла энергию удара на большую площадь. Для разных грунгив пидбиралось оптимальное соотношение между энергией удара и площадью подставки. Источник подобного типа обеспечил получение сейсмической ннфоруацнн в МПВ до глубин в 15-20 м при предельной длине годографа 40-46 м. Длина сейсмических записей по времени составляла 0.5 с, шаг дискретизации -1 мс. В работах по методу отраженных еолн средняя глубина исследований составила 40-50 м. Кратность по общей глубинной точке составляла от 3 до 6. В целом методика полевых работ соответствовала методике, общепринятой при инженерных изысканиях. Основными помехами для проведения сейсмических работ являлись: интенсивное движение поездов и другого транспорта, работа буровых станков, электрические пол* ог мощных силовых кабелей.
На полученных полевых сейсмограммах четко выделяются первые вступления волн и поверхностные волны рслеевского типа (рис. 1). Анализ записей первых всту|ьтений сейсмических волн на сейсмограммах совместно с имеющимися геологическими данными по скважинам показал, что натичие неоднородноетей в геологическом разрезе может быть обнаружено по нечетким, неуверенным записям продольных головных волн. Релсеаские волны чаше всего были представлены одной - двумя модами (гармониками). Наличие нескольких гармоник этих волн может также свидетельствовать о сложном слоистом строении разреза на пикетах их регистрации. На некоторых сейсмограммах можно выделить обменные и дифрагированные волны. Обменные волны могут быть связаны с неглубоким зачеганием кровли маюизмененных известняков.
Рис. 1. Типичная сейсмограмма, полученная с использованием сейсмостанцни Эхо-3
Дифрагированные волны наблюдаются на обоих участках исследований фрагментарно на небольшом числе сейсмограмм при наличии вертикальных границ под рыхлыми четвертичными отложениями. Идентификация дифрагированных волн в значительной степени затруднена из-за сильной и1гтерференции сейсмических волк на участке их предполагаемого прослеживания. Для выделения этих волн на сейсмограммах целесообразно применять процедуры вычнташ я пакетов волн с известной формой годографа. По сейсмограммам, на которых были обнаружены дифрагированные волны, можно определят» положения дифракторов в плане. Их положение по линии профиля наблюдений определяется с точностью до шага ссйсмоприсмников. Пикеты профиля с наличием дифракторов могут быть отнесены к потенциально опасным участкам.
Четких записей первых всту плений поперечных волн, а 1акже отраженных продольных волн не было получено, возможно, вследствие высокой шгтенсивности поверхностных и обменных волн.
Для получения данных о распределении скоростных параметров среды на всеР площади исследования использовались первые вступления продольных волн. Кинематическая обработка результатов продольного профилирования по МПВ выполнялась по стандартной методике, описанной в [3]. После выделения полезных волн с сейсмограмм снимались времена их прихода и строились годографы. В соответствии с принятой нами моделью срсды для нормальных разрезов (в отсутствие ослабленных зон) предполагались годографы преломленно-рефрагированных волн. Отклонение реатьно полученных годографов от этой формы давало авторам основание отнести годографы к аномальным. К этой категории были отнесены годографы первых волн, характеризующиеся относительно большими временами прихода на базе наблюдений и имеющие форму с ярко выраженной ступенькой (скачком по значению времени). Это явление, заключающееся в перерыве в прослеживании первых вступлений, может быть связано либо с наличием сейсмической границы с большим углом падения, либо с возможным выпадением (не проявлением н области первых вступлений) пласта с высокой скоростью. Годографы аномапьного типа указывают на более сложное строение изучаемой части разреза по сравнению с соседними участками. Сказанное позволяет отнести участки с аномальными годографами также к перспективным для обнаружения карстовых полостей.
Определение по годографам скоросгиых разрезов выполнялось по способу O.K. Кондратьева Разрезы были пблучены в среднем на интервале глубин от 0 до 15-18 м.
Основные этапы сейсмической интерпретации рассмотрим на примере Богдаиовичского участка.
Анализ результатов здесь проводился на основе сопоставления сейсмических данных и данных разведочного бурения, что позволило получить скоростную характеристику горных пород, представленных на участке исследований. Верхняя часть разреза, сложенная преимущественно суглинками, характеризуется скоростями от 200 до 600 м/с. Скорости в дресвяном и щебенистом грунтах составляют 1000-2000 м/с. Увеличение процентного содержания щебня и дресвы в супесях и суглинках, соответственно, увеличивало скорость в этих грунтах. Сильно выветре.тые известняки имеют скорости от 2000 до 3500 м/с, а более крепкие малоизмененные обладают скоростью свыше 4000 м/с. Такие сведения о скоростях учитывались при составлении геоссйсмических разрезов. В интервале глубин от 0 до 5 м, соответствующих рыхлым отложениям, можно было выделить два типа разреза. Первый - низкоскоростной от 200 до 500 м/с с линейной зависимостью скорости от глубины и малым градиентом скорости, второй - высокоскоростной от 200 до 1000-1500 м/с с экспоненциальной зависимостью и с высоким градиентом скорости. Первый тип скоростного разреза характеризует участки пониженной скорости, соответствующие разуплотнению грунтов над карстовыми полостями, расположенными в толще известняков (скрытые полости), либо областям трещиноватости. Второй тип скоростного разреза - нормальный разрез с резким изменением скорости вблизи уровня грунтовых вод или скальных грунтов. В этом случае нельзя дагь однозначную геологическую интерпретацию скоростного разреза Сопостяпление с бурением показало, что не исключена как возможность резкою перехода в разрезе к обводненным рыхлым грунтам, так и присутствие карстовой полости, заполненной водой вблизи УГВ. В указанной ситуации необходимо привлекать дополнительные данные. Глубже по разрезу при отсутствии карстовых полостей скорость продольных волн от значения примерно 2000 м/с плавно увеличивается до 3000-3500 м/с, что соответствует постепенному увеличению прочности известняков с глубиной. В области скрытого карста наблюдаются инверсии (уменьшения скорости) на скоростном разрезе, а значения скоростей в разрезе в интервале глубин от УГВ до максимальной глубины исследования близки к 2000 м/с . Для разрезов в отсутствие известняков в указанном интервале глубин скорость возрастает по закону, который можно приближенно считать линейным, от 1500-1600 до 2000-2500 м/с .
По скоростным разрезам для каждого профиля были построены вертикальные карты скоростей. Вертикальные карты скоростей продольных волн отражают общие закономерности изменения прочностных свойств в разрезе. По данным этих карг геологический разрез на Богдаиовичском участке работ имеет ярко выраженную блоковую структуру. Размеры блоков составляют от 25 до 50 м по горизонтали. Сравнение этих карт с данными бурения позволяет сделать выводы о том, что области локальных понижений скорости соответствуют наличию карстовых полостей в разрезе. Характерной чертой локальных скоростных аномалий является их небольшая ширина 10-15 м и высокий градиент скорости на границах (скачок скорости к горизонтальном направлении) (рис. 2). Важно то обстоятельство, что такой тип аномалий соответствует скрытым карстовым полостям, расположенным внутри толщи известняков. Открытым карстовым полостям, выходящим в залегающие над известняками рыхлые грунты, соответствуют лишь небольшие скоростные аномалии, которые трудно отличить от аномалий от поверхностных неэднородностсй. Отмечено также, что области понижения скоростей, связанные со сменой типа теологического разреза (с изменением диалогического состава), имеют горизонтальные размеры, превышающие размеры блоков, и плавный характер изолиний скоростей. Указанные сложности и неоднозначность геологической интерпретации побудили к получению дополнительной информации о строении среды.
С этой целью были дополнительно проведены специальные полевые сейсмические работы по площади размером около 400 на 250 м. На основе результатов этих работ для прослеживания в плане областей с пониженными значениями скоростей были построены горизонтальные карты скоростей продольных волн на глубинах 2, 4, Юн 15 м. Глубина 2 м соответствовала подошвг четвертичных суглинков. 5м- близка к средней отметке УГВ, Юм- отражала среднюю глубину расположения менее выветрелых грунтов. 15 м - соответствовала максимальной глубине исследований. Полученные карты позволили составить представление о локализации участков пониженных скоростей по глубине. Например, в районе скважины 1763 открытая полость на глубине с 2,1 -5.0 м на карте, соответствующей глубине 2 м, представлена заметным пятном с пониженной скоростью, она также хорошо прослеживается в виде двух более мелких пятен на карте на глубине 5 м; на других картах, соответствующих большим глубинам, это понижение скоростей не локализовано (рис. 3). Аналогичная картина может быть прослежена в районе скважин 6 и 9. Приведенные данные показывают, что полости, находящиеся непосредственно в рыхлых отложениях, хорошо
отслеживаются на горизонтальных каргах. Путем перебора глубин построения горн-читальной карп.1 можно локализовать глубину проникновения полости Для небольших полостей, расположенных н толще известняков, ашум имеющихся горизонтальных карт не двл столь характерных аномалий в плане, и это связано с большим интервалом между горияаитальнымн сечениями карг по сравнению с высотой карстовых полостей
Рис. 2 Фраг мент вертикальной карты скоростей продольных волн с вынесенными мИ^енсрщь геологическими скважинами
300 400 500 600 300 500
Рис Горизонтальные карты скоростей продольных волн, соответствующие глубинам (п м> и 5; •• III г И Кружками шмшмш нвженерно-гсологмчеякме «нажит- »"6?-2(К'11 ...га л С о го ли
Важным напои обработки явилось получение информации •> поверхностных Млпах. которые наряду с первыми всту плениями легко распознаю!см на сейсмограммах Записи ни. н рслссвского типа обрабатывались с цепью нилучнть по ним информацию ч знамениях скоростей поперечных волн и разрезе. Известно что значения скоростей поверхностных волн Релей Г.. позвопиют косвенно оценивать значения скорооей поперечных волн Ух Зависимость между скоростям»» Г- и Г с некоторым приближением мож-п .-.читаться линейной, поэтому отношение Уц'Уг можно использовать как параметр, аналогичный отношению скорости поперечных волн к скорости продольных »идн-Отношенне же У</У/> широко применяется в сейсморазведке при понимании лнгологическогс
строения разреза. Исходя из этих соображений нами для определения соответствия между значениями Vg/VP и типом грунтов, слагающих геологический разрез, было выполнено сопоставление этих значений с данными разведочного бурения. По результатам такого анализа вертикальные карты скоростей продольных волн были перестроены в геосейсмический разрез.
Дополнительно с нелыо уточнения положения зон разуплотнения пород в геосейсмическом разрезе нами был рассмотрен ряд дополнительных факторов, которые могут указывать на наличие аномальных участков, связанных с карстовыми полостями или разуплотнением. Важными среди них. на наш взгляд, являются: характерный вид сейсмической записи, связанный с аномальным поглощением сейсмических волн, форма годографа первых вступлений, характер скоростного разреза продольных волн, положение областей уменьшения значений скоростей поверхностных волн и зон с увеличенным отношением скорости поверхностных волн к скорости продольных золн. Кроме этого проводился спектральный анализ сейсмограмм, который позволил сделать заключение об изменении частотного состава волн в пределах участка. Вся эта информация бы;:а использована авторами для формирования интегрального комплексного показателя карстоопасиости.
Сравнение скоростных разрезов, карт, результатов, полученных по различным характеристикам волнового поля, показало, что выделяемые по ним аномальные участки хорошо коррслируются между собой по месту положения на профиле. Поэтому решение вопроса пб отнесении того или другого участка профиля к категории участка повышенного риска проводилось на основе учета всего комплекса данных, описанного выше. Такой принцип интерпретации применялся .зля построения прогнозной карты карстоопасных участков.
В результате выполняемых исследований доказаны большие возможности сейсморазведки при решении задач оперативного, надежного контроля за состоянием горных пород на карстоопасных территориях. Определена оптимальная методика тюлевых исследований, а также состав и последовательность операций обработки и интерпретации сейсмических данных. Разработан программный комплекс для обработки и представления результатов.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ CI1ИСОК
1. Рекомендации по изучению карста геофизическими методами / ПНИИИС Госстроя СССР М:Стройиздат. 1986. П2с.
2. Дубейковскнй С.Г., Афанасиади Э.И. Отчет о результатах карстологичсского обследования перегона ст. Кунара - ст. Богданович. Екатеринбург, 2000. НПЦ Карст. Екатеринбургский филиал. 71 с.
3. Горяинов H.H., Ляховицк-нй Ф.М. Сейсмические методы в инженерной геологии. М.: Недра. 1979. 143 с.
УДК 550.834
В.И. Бондарев, С.М. Крылат ков, H.A. Крылаткова НОВЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ СПОСОБА МНОГОКРАТНЫХ ПЕРЕКРЫТИЙ
Идея способа мног ократных перекрытий была предложена Г. Мейном еще в 1950 году [8]. За полвека она превратилась в весьма эффективный метод сейсмической разведки, называемый в отечественной литературе методом общей глубинной точки - МОГТ [3]. Г. Мгйном был сформулирован принцип горизонтального накапливания путем суммирования сейсмических записей равных удалений (7), который положен в основу большинства современных систем обработки сейсмических данных, получаемых по методике многократных перекрытий. Именно на основе этой идеологии были сделаны крупнейшие открытия XX века в нефтяной геологии. В последние годы теория и методика сейсмической интерпретации данных способа многократных перекрытий продолжает развиваться. Об этом свидетельствуют такие достижения последних лет, как AVO-анализ. миграция сейсмических запноей до суммирования, использование в качестзе моделей интерпретации анизотропных моделей сред, совместная интерпретация сейсмических данных с данными геофизических исследований скважин и многое другое. Все это позволяет по результатам сейсмических исследований строить весьма достоверные трехмерные модели нефтяных резервуаров.
